城市軌道交通再生電能回收技術(shù)方案的研究

摘要：如果采用車輛吸收電阻吸收地鐵列車運(yùn)行過程中的再生能量，則將帶來隧道和站臺(tái)內(nèi)的溫升問題，同時(shí)也增加了站內(nèi)環(huán)控系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)， 造成大量的能源浪費(fèi)并使地鐵的建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用增加。為了降低隧道洞體和車站內(nèi)溫度并提高洞內(nèi)空氣質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行再生能量吸收的相關(guān)技術(shù)系統(tǒng)研究并在地鐵工程中使用成熟的再生能量回收裝置。
關(guān)鍵詞：城市軌道交通；再生；吸收；技術(shù)方案

1 引言
在城市軌道交通工程中，直-交變壓變頻的傳動(dòng)方式已經(jīng)普遍采用。車輛在運(yùn)行過程中， 由于站間距一般較短， 列車起制動(dòng)頻繁， 因此要求起動(dòng)加速度和制動(dòng)減速度大，制動(dòng)平穩(wěn)并具有良好的起動(dòng)和制動(dòng)性能。從能量相互轉(zhuǎn)換的角度看， 制動(dòng)能量是相當(dāng)可觀的。雖然電動(dòng)車組在其直流回路設(shè)有電阻耗能裝置， 但是受機(jī)車空間所限， 不可能設(shè)置足以完全吸收這部分動(dòng)能的裝置，剩余能量只能由機(jī)械制動(dòng)補(bǔ)充。由于軌道交通整流設(shè)備采用的是二極管整流器，只能單向供電。當(dāng)列車制動(dòng)時(shí)， 再生回饋能量通過機(jī)車變頻裝置向直流電網(wǎng)充電，使直流電網(wǎng)電壓升高，當(dāng)直流電壓大于整流器輸出電壓時(shí)， 二極管整流器被反向阻斷。由于地鐵系統(tǒng)的特點(diǎn)是區(qū)間距離短、列車運(yùn)行密度高， 這樣列車在全線運(yùn)行過程中必將有頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)過程。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，地鐵再生制動(dòng)產(chǎn)生的反饋能量一般為牽引能量的30%甚至更多。而這些再生能量除了按一定比例（一般為20%～80%， 根據(jù)列車運(yùn)行密度和區(qū)間距離的不同而異） 被其它相鄰列車吸收利用外，剩余部分將主要被車輛的吸收電阻以發(fā)熱的方式消耗掉或被線路上的吸收裝置吸收。據(jù)考察北京地鐵750 V 直流供電電壓在機(jī)車進(jìn)站制動(dòng)時(shí)可能升到1 000 V 以上，這是由于列車再生制動(dòng)能量在直流電網(wǎng)上不能被相鄰列車完全吸收造成的。當(dāng)列車發(fā)車密度較低時(shí)，再生能量被其它車輛吸收的概率將大大降低。有資料表明，當(dāng)列車發(fā)車的間隔大于10 min 時(shí)，再生制動(dòng)能量被吸收的概率幾乎為零，這樣，絕大部分制動(dòng)能量將被車輛吸收電阻所吸收， 變成熱能并向四外散發(fā)。由于列車的制動(dòng)主要發(fā)生在運(yùn)行過程中，如果再生能量由車輛吸收電阻吸收， 必將帶來隧道和站臺(tái)內(nèi)的溫升問題， 同時(shí)也增加了站內(nèi)環(huán)控系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，造成大量的能源浪費(fèi)并使地鐵的建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用增加。在國內(nèi)的部分地鐵線路（如北京地鐵） 上已經(jīng)反映出溫升問題相當(dāng)嚴(yán)重。因此， 對再生能量吸收的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究并在地鐵工程中使用成熟的再生能量回收裝置，將會(huì)降低隧道洞體和車站內(nèi)溫度并改善洞內(nèi)空氣質(zhì)量。同時(shí)， 合理的配置再生能量回收裝置還能減少車載設(shè)備（車輛制動(dòng)電阻），減少車輛的運(yùn)營維護(hù)工作量，降低車輛成本，減少車輛自重，從而降低列車能耗， 提高車輛加減速性能， 并有可能在一定程度上降低電機(jī)的配置容量。
目前，我國在城市軌道交通中應(yīng)用再生能量回收技術(shù)尚屬起步階段， 可借鑒加拿大、日本等國的成功經(jīng)驗(yàn)。若在國內(nèi)城市軌道交通系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)，必將產(chǎn)生巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
2 可采用的相關(guān)技術(shù)
軌道交通車輛所采用的電制動(dòng)方式一般包括再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)兩種方式，再生制動(dòng)的最大優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能，但再生電能并不是都能被其它牽引車輛吸收，剩余部分則消耗在車輛制動(dòng)電阻上并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苌l(fā)到空氣中。車輛采用電阻制動(dòng)方式吸收電能比較穩(wěn)定， 但制動(dòng)能量消耗在電阻上， 既不能加以利用，又因在車輛上裝設(shè)大容量制動(dòng)電阻而導(dǎo)致車下設(shè)備的總體布置困難，車體重量和列車牽引耗電增加，同時(shí)還加大了對環(huán)境的污染。
為了減少制動(dòng)能量在列車制動(dòng)電阻上的耗散，抑制地鐵隧道內(nèi)溫度的升高和減少車載設(shè)備，國外一般在牽引變電所的直流母線上設(shè)置再生制動(dòng)能量吸收裝置，所采用的吸收方案主要包括電阻耗能型、電容儲(chǔ)能型、飛輪儲(chǔ)能型和逆變回饋型四種方式。當(dāng)處于再生制動(dòng)工況下的列車產(chǎn)生的制動(dòng)電流不能完全被其他車輛和本車的用電設(shè)備吸收時(shí)，線路上設(shè)置的再生制動(dòng)能量吸收裝置立即投入工作，吸收多余的再生電流，使車輛再生電流持續(xù)穩(wěn)定，以最大限度地發(fā)揮電制動(dòng)性能。如日本多摩、沖繩、東京、大阪的輕軌和地鐵線路， 加拿大多倫多輕軌及意大利米蘭3 號(hào)線等地鐵均采用了再生制動(dòng)能量吸收裝置。
電阻耗能型再生制動(dòng)能量吸收裝置主要采用多相IGBT 斬波器和吸收電阻配合的恒壓吸收方式，根據(jù)再生制動(dòng)時(shí)直流母線電壓的變化狀態(tài)調(diào)節(jié)斬波器的導(dǎo)通比， 從而改變吸收功率， 將直流電壓恒定在某一設(shè)定值的范圍內(nèi)，并將制動(dòng)能量消耗在吸收電阻上。該吸收裝置的電氣系統(tǒng)主要由IGBT 斬波器、吸收電阻、續(xù)流二極管、濾波裝置（濾波電容和濾波電抗器）、直流快速斷路器、電動(dòng)隔離開關(guān)、避雷器、電磁接觸器、傳感器和微機(jī)控制單元等組成。該裝置的優(yōu)點(diǎn)是控制簡單， 其主要缺點(diǎn)是再生制動(dòng)能量消耗在吸收電阻上，未加以利用；而且電阻散熱也導(dǎo)致環(huán)境溫度上升，因此當(dāng)該裝置設(shè)置在地下變電所內(nèi)時(shí)， 電阻柜需單獨(dú)放置， 而且該房間需采取措施保證有足夠的通風(fēng)量，需要相應(yīng)的通風(fēng)動(dòng)力裝置，也增加了相應(yīng)的電能消耗。
電容儲(chǔ)能型或飛輪儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量吸收裝置主要采用IGBT 逆變器將列車的再生制動(dòng)能量吸收到大容量電容器組或飛輪電機(jī)中，當(dāng)供電區(qū)間內(nèi)有列車起動(dòng)或加速需要取流時(shí)，該裝置將所儲(chǔ)存的電能釋放出去并進(jìn)行再利用。該類吸收裝置的電氣系統(tǒng)主要包括儲(chǔ)能電容器組或飛輪電機(jī)、IGBT 斬波器、直流快速斷路器、電動(dòng)隔離開關(guān)、傳感器和微機(jī)控制單元等。該裝置充分利用了列車再生制動(dòng)能量， 節(jié)能效果好， 并可減少列車制動(dòng)電阻的容量。其主要缺點(diǎn)是要設(shè)置體積龐大的電容器組和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械飛輪裝置作為儲(chǔ)能部件，因此應(yīng)用實(shí)例較少。
逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置主要采用電力電子器件構(gòu)成大功率晶閘管三相逆變器，該逆變器的直流側(cè)與牽引變電所中的整流器直流母線相聯(lián)， 其交流進(jìn)線接到交流電網(wǎng)上。當(dāng)再生制動(dòng)使直流電壓超過規(guī)定值時(shí)，逆變器啟動(dòng)并從直流母線吸收電流，將再生直流電能逆變成工頻交流電回饋至交流電網(wǎng)。該吸收裝置的電氣系統(tǒng)主要包括晶閘管逆變器、逆變變壓器、平衡電抗器、交流斷路器、直流快速斷路器、電動(dòng)隔離開關(guān)、直流電壓變換器和調(diào)節(jié)控制柜等。該裝置充分利用了列車再生制動(dòng)能量， 提高了再生能量的利用率， 節(jié)能效果好，并可減少列車制動(dòng)電阻的容量。其能量直接回饋到電網(wǎng)，既不要配置儲(chǔ)能元件，又不要配置吸收電阻，因此對環(huán)境溫度影響小，在大功率室內(nèi)安裝的情況下多采用此方案。
3 技術(shù)方案的研究與比較
3.1 有關(guān)系統(tǒng)的仿真模擬計(jì)算
仿真模擬是較為先進(jìn)的研究方法之一，事實(shí)證明，這樣的研究方法是可取的、科學(xué)的、可靠的。許多重大項(xiàng)目都要經(jīng)過各種仿真模擬計(jì)算后才能夠進(jìn)入實(shí)施階段，開發(fā)研究階段的有關(guān)模擬分析參數(shù)的選擇和確定將有可能影響到整個(gè)工程的方案決策、運(yùn)行效果以及工程投資和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)合理性。因此，在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段進(jìn)行大量的、準(zhǔn)確的仿真模擬是非常必要的。多年來中鐵電氣化勘測設(shè)計(jì)研究院已經(jīng)在各條城市軌道交通的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中多次運(yùn)用這種方法。因此， 為了得到更為準(zhǔn)確可靠的研究結(jié)果，在本課題的研究過程中對相關(guān)的系統(tǒng)進(jìn)行了大量的模擬分析與比較。所應(yīng)用到的主要模擬技術(shù)和分析流程見圖1。

3.1.1 列車運(yùn)行模擬
列車運(yùn)行的模擬仿真是整個(gè)方案研究最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)平臺(tái)和依據(jù)，它的正確性和科學(xué)性將直接影響后續(xù)模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性和方案的可靠性。因此必須對與此相關(guān)的各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行充分調(diào)查、分析與研究。主要包括車輛特性、車輛阻力、車輛運(yùn)行工況的分析與研究，線路資料和有關(guān)運(yùn)營資料的分析與整理，從而獲得準(zhǔn)確的全線列車運(yùn)行數(shù)據(jù)。
3.1.2 不同運(yùn)行圖模擬
一般來說，在固定的列車追蹤間隔運(yùn)行狀態(tài)下，列車的牽引用電負(fù)荷反映到牽引變電所是相對持續(xù)穩(wěn)定的，不會(huì)因運(yùn)行圖上下行鋪畫的時(shí)間交錯(cuò)產(chǎn)生較大的波動(dòng)變化。因此， 中鐵電氣化勘測設(shè)計(jì)研究院一般在設(shè)計(jì)牽引供電系統(tǒng)方案和容量的時(shí)候，只需對典型的高峰小時(shí)運(yùn)行圖進(jìn)行模擬就可以滿足要求。而再生能量回饋電流則是短時(shí)的、不穩(wěn)定的，由于其他列車的運(yùn)行狀態(tài)直接影響到再生電流的吸收比例，所以在作回饋電流的模擬分析時(shí)，應(yīng)該充分考慮運(yùn)行圖上下行鋪畫的不同時(shí)間交錯(cuò)情況下的回饋電流特性。在進(jìn)行運(yùn)行圖模擬時(shí)，增加了以追蹤間隔為周期，以2 s 為步長的多圖模擬模型，為下一步的供電系統(tǒng)模擬提供更具廣泛性的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
3.1.3 供電系統(tǒng)模擬
供電系統(tǒng)模擬是基于全線牽引供電網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型之上，根據(jù)有限元分析的基本思想對全線網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行一定間隔的切割，并對各個(gè)切割斷面進(jìn)行數(shù)據(jù)抽象，同時(shí)根據(jù)運(yùn)行圖數(shù)據(jù)對全線列車的運(yùn)行狀態(tài)掃描后進(jìn)行全線的牽引供電網(wǎng)絡(luò)分析，從而計(jì)算出供電網(wǎng)絡(luò)各個(gè)切割斷面的瞬態(tài)電氣參數(shù)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)輸出。本文在原有的模擬模型基礎(chǔ)上， 加入了電能回饋吸收裝置的簡化數(shù)學(xué)模型（見圖2）， 使模擬的數(shù)據(jù)結(jié)果更加準(zhǔn)確，為回饋吸收系統(tǒng)方案的建立和容量的選擇提供可靠的依據(jù)。由于在進(jìn)行系統(tǒng)模擬分析的過程中，主要研究目標(biāo)為能量的流動(dòng)過程， 因此為了簡化算法，提高運(yùn)行速度，將回饋裝置在數(shù)學(xué)模型上簡化為可調(diào)電阻，設(shè)定回饋裝置的電壓投入條件，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻的大小來適應(yīng)回饋功率的變化。通過各種運(yùn)營狀態(tài)下的模擬分析、統(tǒng)計(jì)，獲得回饋功率的變化特點(diǎn)。

圖2 回饋吸收裝置的簡化模型示意圖
3.2 仿真模擬結(jié)果分析
考慮到再生回饋電能的負(fù)荷特點(diǎn)（短時(shí)性和隨機(jī)性），對不同運(yùn)行階段的列車運(yùn)行、不同運(yùn)行圖和供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大量的模擬分析和比較。以某牽引變電所為例的圖3 可以看出，在相同的列車運(yùn)行追蹤密度下，再生回饋功率因不同的運(yùn)行圖鋪畫而差異很大。而在未來的實(shí)際運(yùn)行中， 運(yùn)行圖可能會(huì)出現(xiàn)各種隨機(jī)性變化。

圖3 某變電所遠(yuǎn)期高峰小時(shí)-平均回饋功率曲線
3.3 再生吸收裝置的分布方案與容量選擇
因?yàn)楫?dāng)前沒有相應(yīng)設(shè)計(jì)原則可依照，根據(jù)再生回饋負(fù)荷的特點(diǎn)、大量模擬計(jì)算和數(shù)據(jù)分析并考慮到大部分再生電流回饋沖擊都在20 s 以內(nèi)，所以可認(rèn)為各變電所回饋裝置的容量是按照以下原則確定：（1）按照不同運(yùn)營條件、不同運(yùn)行圖下的20 s 平均最大負(fù)荷確定；（2） 用不同運(yùn)營條件、不同運(yùn)行圖下的短時(shí)最大負(fù)荷進(jìn)行容量校核。
3.4 再生回饋／吸收電能的統(tǒng)計(jì)分析
通過對某地鐵線路的模擬計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析，在不同追蹤間隔條件下，全線的不同運(yùn)行圖平均回饋功率統(tǒng)計(jì)。在各種追蹤間隔條件下的不同運(yùn)行圖平均回饋功率波動(dòng)曲線見圖4。在不同追蹤間隔的條件下， 不同運(yùn)行圖的平均回饋功率波動(dòng)不大， 回饋功率的大小與追蹤間隔沒有直接的關(guān)系。因此認(rèn)為可以對各種運(yùn)行條件下的回饋功率進(jìn)行平均并作為全線全天回饋能量統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)。

圖4 不同追蹤間隔下的回饋功率波動(dòng)曲線
按照每年365 天，每天運(yùn)營時(shí)間18 h 計(jì)算，某地鐵全線全年回饋吸收電能總量為ERe。ERe=365×18×1 331=8 744 670（kW·h）。
4 經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果
通過以上對某地鐵線路的技術(shù)分析，按照每度電價(jià)0.5 元計(jì)算，每年僅節(jié)省電費(fèi)就達(dá)到470 萬元。全線牽引所的回收裝置設(shè)備費(fèi)暫按照飛輪儲(chǔ)能裝置估計(jì)約4 000 萬元。這樣僅從供電系統(tǒng)的角度考慮，預(yù)計(jì)8～10 年就能夠收回全部設(shè)備費(fèi)用。另外，再生能量回收裝置的安裝將對地鐵其他系統(tǒng)帶來巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，比如：大大降低隧道溫升，從而降低隧道通風(fēng)設(shè)備容量和相關(guān)投資；減少列車制動(dòng)電阻容量， 從而使車體更輕、更節(jié)能、成本更低。由于篇幅所限， 本文不再對其他系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析比較。